水稻是全球一半左右人口的主糧
當前栽培的水稻，往上溯源
祖先都是7000到1萬年前的二倍體野生稻
我國科學家透過快速從頭馴化策略
創制了全新的水稻材料
有望開闢一條野生植物馴化新道路
為緩解世界糧食危機
提供了一種可行的策略
前不久，基於在作物育種上的貢獻
這項關於水稻的重大原創成果
入選2021年中國十大科技進展
我們採訪了主持該研究的
中科院遺傳與發育生物學研究所
研究員李家洋院士
水稻馴化的得與失
農作物馴化是農業文明起源的重要標誌。經過漫長的馴化，野生植物中符合人類需求的性狀被保留下來。
馴化改良後，作物的產量更高了，適用種植範圍更廣了，但這一過程使得遺傳多樣性的大量減少，一些重要基因資源的丟失。
“營養不夠施肥，生病了打藥，農作物被呵護得這麼好，久而久之，很多基因就丟失了，對環境的耐受能力也下降了。” 李家洋解釋，目前農作物品種變化很快，一些種質資源沒有了，就再也找不回來。
李家洋院士在檢視野生稻
與傳統農業是多樣化品種小規模種植不同，現代農業高產品種的單一化、同質化種植的模式，不僅削弱了農業生態系統多樣性，還引發土壤、水汙染等環境問題。
根據聯合國糧農組織報告，預計到2050年，全球糧食生產應在當前基礎上增加50％才能滿足需求。
一邊是不斷增長的糧食需求，另一邊是作物遺傳多樣性持續降低，面對雙重壓力，李家洋表示，如何改良品種，進一步提高作物單產，是農業科技界不得不面對的難題。
過去，科學家在二倍體栽培稻的基礎上，培育出了一系列優異的水稻品種。然而，除了二倍體栽培稻，稻屬還有其他20多種野生植物。
按照基因組特徵，這些野生稻屬分成11類，包括6類二倍體基因組和5類四倍體基因組。其中，CCDD基因組異源四倍體野生稻有天然的雜種優勢，此外，生物量大、環境適應能力也強。
為什麼不能在異源四倍體野生稻基礎上，從頭馴化一種全新的水稻？瞄準這一前人從未涉及的領域，李家洋帶領團隊希望培育出產量高，環境適應好的新水稻。
從“0”到“1”的重要突破
雖然異源四倍體野生稻種質資源優勢明顯，馴化潛力和開發空間大，但它也存在一些致命的不足。比如，種粒小、易脫落，花期短等，這些缺陷使其無法進行農業生產。
野生稻受株型、花期、育性等影響，透過實驗室馴化、改良起來也困難重重。
經過多年攻關，李家洋團隊提出了異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略，破解關鍵技術難題，創造了世界首例重新設計與快速馴化的四倍體水稻材料。這是水稻育種從“0”到“1”的重要突破。
田間種植的異源四倍體野生稻
具體來說，馴化策略分為四個階段。在第一階段，該團隊與國內外同行合作，收集到28份異源四倍體野生稻資源，並從中篩選出一份高稈野生稻資源——多倍體水稻1號（PPR1）。
在第二階段，建立了野生稻快速從頭馴化技術體系；在第三階段，進行品種分子設計與快速馴化；第四階段則是推廣應用新型水稻作物。
經過催PPR1中同源基因進行基因編輯，團隊成功創制了落粒性降低、芒長變短、株高降低、粒型變長、莖稈變粗、抽穗時間縮短的各種基因編輯材料。
這項工作證明，從頭馴化四倍體野生稻在策略上是可行的。
“參照設計路線圖，我們將用5至10年完成示範材料。”李家洋說，之後，再用5年左右，培育可用於農業生產的高產優質高抗高效新水稻作物。
野生稻馴化示意圖
從野生稻到老百姓種的栽培稻，過去用了7000到1萬年的馴化。如今，應用新方法，水稻從頭馴化可能縮短到幾十年甚至幾年。
多倍體化是植物最重要的進化事件之一。從二倍體向多倍體演化過程引入了新的遺傳資訊，因此該馴化策略，還有利於從種質資源角度，保護生物多樣性。
翻開作物育種新篇章
這項研究不只是對水稻有價值。證明異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略高度可行，對未來創制培育新的作物種類具有重要意義。
李家洋介紹，包括小麥和燕麥等糧食作物，菸草、棉花和甘蔗等工業作物在內，許多重要作物都是異源多倍體，它們大多數是天然的異源多倍體物種。
然而，由於人工誘導異源多倍體作物難度大、時間長、耗費大量的人力物力，許多有價值的種質資源沒有得到充分利用。
由於極大壓縮了作物馴化時間，該方法為農業產值高、遺傳背景複雜、馴化潛力大的野生植物的快速馴化開闢了道路，進而為緩解世界糧食危機提供了一種可行的策略。
李家洋團隊成員，從左至右分別為餘泓、張靜昆、孟祥兵
不過，專家表示，仍有相當一部分野生植物無法實現組培再生和基因轉化，這阻礙了基因編輯和合成生物學技術應用到其馴化中。此外，有些野生植物存在生殖障礙、基因組不穩定等問題。
攻克這些問題，必須依靠植物基礎科學研究的理論創新和技術突破。從頭馴化更多新作物，科技界還要很多工作要做。（喻思南）
來源：人民日報經濟社會微信公眾號
